開題報(bào)告--車輛自載重測(cè)量裝置中力學(xué)有限元分析

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告</p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)題目：車輛自載重測(cè)量裝置中力學(xué)有限元分析</p><p><b>　　課題的意義與依據(jù)</b></p><p>　　1. 什么是車輛自載重測(cè)量裝置</p><p>　　車輛自載重測(cè)量裝置是一種對(duì)汽車自身載重情況進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量器。該裝置的基本原

2、理是采用激光測(cè)距傳感器作為稱重傳感器，并將該裝置固定在鋼板彈簧的上端車架上來測(cè)量車架在裝載前后距地高度變化來衡量車輛的載荷。</p><p>　　當(dāng)車輛上加載載荷時(shí)，支撐車架的鋼板彈簧以及減震器的變形量也會(huì)隨之變化；不同的載荷，鋼板彈簧和減震器的變形量是不同的。測(cè)距傳感器檢測(cè)出加載荷前后車架的變化量，并且將變化量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過濾波和A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)信號(hào)，然后傳送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理，由顯示

3、設(shè)備將車輛的載重情況顯示出來。這樣可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)車輛是否超重。本系統(tǒng)采用的激光測(cè)距傳感器，原理上與目前存在的稱重系統(tǒng)有一定的區(qū)別。目前多采用電容、電阻式傳感器，在復(fù)雜環(huán)境下易受到干擾。同時(shí)采用本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了目前存在的車載稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，對(duì)現(xiàn)有汽車的改裝也更為方便。</p><p>　　2.力學(xué)有限元分析的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用</p><p>　　有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Ele

4、ment Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。</p><p>　　有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，它在 50 年代初期隨著計(jì)算機(jī) 的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛應(yīng)用。這一方法的理論基礎(chǔ)牢靠，物理概念清晰， 解題效率高，適用性強(qiáng)，目前已成為機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段，

5、它的程序包是機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)常用方法庫(kù)中不可缺少的內(nèi)容之一在當(dāng) 前科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展日新月異的情況下，市場(chǎng)的需求是瞬息多變的，機(jī)械 產(chǎn)品以多品種、小批量生產(chǎn)為主，這就要求新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造周期短，質(zhì)量高， 成本低，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。</p><p>　　3. 車輛自載重測(cè)量裝置中力學(xué)有限元分析的重要性</p><p>　　車輛自載重測(cè)量裝置通過在鋼板彈簧附近的車架的測(cè)距傳感器，在

6、測(cè)得鋼板彈簧的垂直應(yīng)變；通過試驗(yàn)或理論計(jì)算得到鋼板彈簧的相關(guān)系數(shù)，從而可以間接測(cè)得簧載質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算出車輛載荷。</p><p>　　鋼板彈簧的相關(guān)系數(shù)的確定需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚?jì)算，有限元分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的計(jì)算是非常精確的，也是非常權(quán)威的。一些大型的有限元分析軟件如：ANSYS有限元分析軟件在結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的精確度是是很高的。</p><p>　　鋼板彈簧是汽車中廣泛應(yīng)用的彈性元件, 剛

7、度是其重要的物理參量。因此, 在產(chǎn)品試制出來之前,如何更準(zhǔn)確的計(jì)算其實(shí)際剛度就成為大家共同關(guān)心的問題。傳統(tǒng)的計(jì)算方法, 如“共同曲率法”和“集中載荷法”等均存在一定的局限性, 在計(jì)算中往往需要加入經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)來調(diào)整計(jì)算結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展, 有限元法因其精度高、收斂性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)逐漸被應(yīng)用到板簧的設(shè)計(jì)中。鄒海榮等[1]應(yīng)用有限元法分析了某漸變剛度鋼板彈簧的異常斷裂問題, 提出了避免此種斷裂的改進(jìn)措施。胡玉梅等[1]針對(duì)某汽車后懸

8、架的鋼板彈簧應(yīng)用 Ansys 軟件分析了其靜態(tài)強(qiáng)度特性, 給出了鋼板彈簧在不同載荷作用下的應(yīng)力分布, 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)符合的較好。谷安濤[2]則討論了應(yīng)用有限元法設(shè)計(jì)鋼板彈簧的一般流程,給出了設(shè)計(jì)的示例。</p><p>　　有限元法的最大優(yōu)點(diǎn)之一就是可以仿真設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)際工作狀態(tài), 因而可以部分代替試驗(yàn), 指導(dǎo)精確設(shè)計(jì)。汽車鋼板彈簧存在非線性和遲滯特性[4]。應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析時(shí)需要考慮大變形及接觸, 即需要同

9、時(shí)考慮幾何非線性和狀態(tài)非線性, 這將使得計(jì)算不容易收斂, 因而需要較高的求解技巧及分析策略。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車架的有限元分析進(jìn)行了大量的研究，取得了大量的 研究成果。Ao, Kazuo 等人對(duì)利用有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計(jì)過程進(jìn) 行了詳細(xì)的介紹。鄭兆昌等人應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)軟件 SAP.S

10、P 對(duì)車車架進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。提出了利用車架模態(tài)分析結(jié)果直接對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。</p><p>　　傳統(tǒng)的鋼板彈簧強(qiáng)度分析中，應(yīng)用簡(jiǎn)化力學(xué)模型，基于材料力學(xué)的小撓度梁</p><p>　　的線彈性理論為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)楦骰善挠?jì)算十分復(fù)雜，人們常用的做法是</p><p>　　把問題抽象成簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型，在一定的假設(shè)條件下進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)鋼板<

11、/p><p>　　彈簧的垂直方向載荷的計(jì)算上，主要有以下三種常用的計(jì)算方法：</p><p>　　1）三角形板計(jì)算法。將各片彈簧假設(shè)為一個(gè)整體的三角形板，直接根據(jù)材料</p><p>　　力學(xué)中的純彎載荷下的簡(jiǎn)支梁模型，并假設(shè)梁為小變形，即撓曲線很小以簡(jiǎn)化應(yīng)力計(jì)算，可求出各截面上的應(yīng)力分布，但對(duì)各片的應(yīng)力值要求得到較準(zhǔn)確的結(jié)果是很困難的。</p><

12、p>　　2）板端接觸法。將鋼板彈簧各片分開考慮，并假設(shè)力在鋼板彈簧各片間的傳</p><p>　　遞僅靠各片端來完成。對(duì)各片的處理，采用法一中的彎曲梁模型計(jì)算得到各片的應(yīng)力狀態(tài)分布。但在通常的少片彈簧中，上下各片間的接觸狀態(tài)并不僅限于片端，此法也不能較好的模擬出板簧的實(shí)際工作狀況。</p><p>　　3）共同曲率法。假定各片的彎曲具有共同的曲率，即各片是在全長(zhǎng)上彼此相</p&

13、gt;<p>　　互間緊密接觸，沒有間隙狀態(tài)下發(fā)生彎曲。另由各片截面上彎矩分布的連續(xù)性，假設(shè)出各片的彎矩分布狀態(tài)，由此彎矩圖計(jì)算出各片的應(yīng)力狀態(tài)。使用該方法的前提是假設(shè)鋼板彈簧各簧片的撓度完全相等，并忽略簧片間的相對(duì)滑移以及簧片間的摩擦。</p><p>　　上述三種計(jì)算方法均從不同角度和不同程度上對(duì)實(shí)際工作中的鋼板彈簧進(jìn)行</p><p>　　了簡(jiǎn)化，并不能反應(yīng)實(shí)際工作中同

14、時(shí)存在的大變形，裝配預(yù)應(yīng)力和各葉片間復(fù)雜</p><p>　　接觸的非線性狀態(tài)。而且計(jì)算中的假設(shè)條件與鋼板彈簧實(shí)際承載情況不盡相符，</p><p>　　所以其計(jì)算結(jié)果存在不同的誤差。</p><p>　　目前汽車使用鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)類型就彈簧彈性特性曲線：</p><p>　　稍偏變截面鋼板彈簧，如圖1-b所示，為減少?gòu)椈少|(zhì)量，彈簧厚度沿長(zhǎng)度

15、方向制成等厚，其彈性特性如一般多片鋼板彈簧一樣呈線性特性2-a。這種彈簧主要用于輕型貨車及大、中型載貨汽車懸架。</p><p>　　兩級(jí)變剛度復(fù)式鋼板彈簧，如圖1-c所示，這種彈簧主要用于大、中型載貨汽車后懸架。彈性特性如圖2-b所示，為兩級(jí)變剛度特性，開始時(shí)僅主簧起作用，當(dāng)載荷增加到某值時(shí)副簧與主簧共同起作用，彈性特性由兩條直線組成。</p><p>　　漸變剛度鋼板彈簧，如圖1-d所

16、示，這種彈簧多用于輕型載貨汽車與廂式客車后懸架。副簧放在主簧之上，副簧隨著汽車載荷變化逐漸起作用，彈簧特性呈非線性特性，如圖2-c所示。</p><p>　　1 2</p><p>　　國(guó)外對(duì)鋼板彈簧的研究已提出了精益設(shè)計(jì)的概念，也就是強(qiáng)調(diào)考慮結(jié)構(gòu)的大</p><p>　　變形，準(zhǔn)確

17、模擬片間的接觸狀態(tài)，并精確計(jì)算包括組裝時(shí)預(yù)應(yīng)力的各簧片工作時(shí)</p><p>　　的應(yīng)力狀況。這種精益設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是建立鋼板彈簧的有限元模型，使用有限元數(shù)</p><p>　　值計(jì)算方法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行強(qiáng)度分析。另外，國(guó)內(nèi)目前關(guān)于鋼板彈簧的應(yīng)力狀況</p><p>　　研究和疲勞壽命研究多是分離起來進(jìn)行的，在鋼板彈簧準(zhǔn)確的應(yīng)力狀況研究前提</p><

18、p>　　下計(jì)算其疲勞壽命的研究不多。在國(guó)外的零部件疲勞壽命的計(jì)算研究中已出現(xiàn)完</p><p>　　整的軟件解決方案。該解決方案基于使用局部應(yīng)力—應(yīng)變法計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，</p><p>　　并分為兩個(gè)主要模塊。一個(gè)模塊使用有限元模型的靜態(tài)分析，完成模型局部彈塑</p><p>　　性的應(yīng)力應(yīng)變范圍計(jì)算。另一模塊為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)算部分，完成載荷譜的統(tǒng)計(jì)，并

19、進(jìn)行累積損傷計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[3]。在國(guó)外某些公司應(yīng)用中還出現(xiàn)</p><p>　　CAD/CAE集成的軟件解決方案，如Mechanical Dynamics Ltd.公司在對(duì)一種飛翼式切割機(jī)的疲勞壽命研究過程中，綜合運(yùn)用了PRO/E,ADAMS，ANSYS，和</p><p>　　FE-FATIGUE多種應(yīng)用軟件。該分析過程首先使用PRO/E建立切割機(jī)的幾何裝配模型，然后通過PRO/E

20、和ADAMS之間的接口將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行切割</p><p>　　機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)模擬?？稍谀M過程中得到模型各組件的變形情況和受力特</p><p>　　征，并將之導(dǎo)出到ANSYS軟件中，用于切割機(jī)模型的應(yīng)力應(yīng)變的有限元數(shù)值計(jì)算，</p><p>　　經(jīng)過ANSYS計(jì)算階段可得到模型應(yīng)力信息文件。在ADAMS的動(dòng)態(tài)模擬中，還可以</p>

21、<p>　　生成模型坐標(biāo)位置如何隨時(shí)間變化的信息文件。FE-FATIGUE軟件接收這兩部分信息文件，并考慮材料的疲勞強(qiáng)度特性即可用來進(jìn)行該切割機(jī)的疲勞壽命計(jì)算分析。使用上述兩種軟件技術(shù)均能以較少的金錢和時(shí)間消耗來預(yù)測(cè)零部件的疲勞壽</p><p>　　命，但它要求各軟件模塊之間或者是各應(yīng)用軟件之間緊密的模型數(shù)據(jù)集成，在通</p><p>　　常的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，很難得到這些軟件

22、間良好的互通接口模塊。</p><p>　　近年內(nèi)，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)鋼板彈簧的分析計(jì)算提出了不同的見解。其中，</p><p>　　吉林大學(xué)張義民教授帶領(lǐng)課題組提出汽車鋼板彈簧的可靠性設(shè)計(jì)方法，在基本隨</p><p>　　機(jī)變量的概率特性已知的情況下，使用二階矩陣對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，從</p><p>　　理論上推導(dǎo)了計(jì)算不同厚度的鋼

23、板彈簧的可靠性設(shè)計(jì)表達(dá)式。2002 年又提出了運(yùn)用二階矩陣法和約束隨機(jī)方向法對(duì)鋼板進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，推導(dǎo)了計(jì)算不同厚度的多片鋼板彈簧的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的表達(dá)式，運(yùn)用優(yōu)化方法得出了鋼板彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)解[4]。同年，合肥工業(yè)大學(xué)王其東教授利用多剛體動(dòng)力學(xué)理論，建立了起鋼板彈簧的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，研究鋼板彈簧動(dòng)剛度隨靜載荷、動(dòng)載荷及激振頻率和振幅的關(guān)系</p><p>

24、　　[5]。2003年，北京航天航空大學(xué)丁能根等利用 ANSYS 有限元軟件進(jìn)行接觸模擬，分析鋼板彈簧的遲滯特性，給出了加載和卸載過程的載荷-變形特性圖，分析不同摩擦系數(shù)對(duì)鋼板彈簧遲滯特性和阻尼特性的影響[6]。</p><p><b>　　課題的內(nèi)容</b></p><p>　　本課題重要研究的內(nèi)容是利用有限元分析的方法在車輛加載后的支撐車架的鋼板彈簧進(jìn)行靜力學(xué)彈性

25、變形的分析。得出車輛載重和鋼板彈簧彈性變形之間的關(guān)系。為車輛自載重測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　當(dāng)車輛上加載載荷時(shí)，支撐車架的鋼板彈簧以及減震器的變形量也會(huì)隨之變化；不同的載荷，鋼板彈簧和減震器的變形量是不同的。本課題就是有限元分析方法在車輛負(fù)載車架鋼板彈簧彈性變形分析方面的具體應(yīng)用。</p><p>　　主要目的：就是掌握三維繪圖軟件的使用，對(duì)車架及鋼板彈簧進(jìn)行三維建

26、模并對(duì)該車車架進(jìn)行抗彎靜載強(qiáng)度測(cè)試，以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正有限元計(jì)算模型。利用有限元分析軟件對(duì)車架的彎曲變形及鋼板彈簧彈性變形進(jìn)行計(jì)算分析， 為車輛自載重測(cè)量裝置中載重和距地距離之間的關(guān)系提供理論依據(jù)。三維制圖軟件建立車架的幾何模型，通過大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件對(duì)該車車架 進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)分析。</p><p>　　主要通過以下步驟完成：</p><p>　　1) 通過三維制圖軟件軟件建立某型

27、號(hào)的車架及彈簧鋼板的三維幾何模型。</p><p>　　2) 建立多片鋼板彈簧的有限元模型。該建模過程考慮了鋼板的片間摩擦，設(shè)置了片間摩擦單元。由于板簧在運(yùn)作的過程中存在裝配應(yīng)力，在有限元分析中，將每一片自由的簧片進(jìn)行裝配，成為少片變截面鋼板彈簧總成。</p><p>　　3) 設(shè)定約束條件和承載情況。 </p><p>　　4) 對(duì)不同工況下車架的強(qiáng)度和變形進(jìn)行計(jì)

28、算。 </p><p>　　5) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，為自載重測(cè)量裝置設(shè)計(jì)提供精確的數(shù)據(jù)支持。 </p><p>　　在以上步驟中，第 2，3，4 步是核心步驟，第 1 步是最重要的準(zhǔn)備工作。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)進(jìn)度安排</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></

29、p><p>　　[1]鄒海榮等. 基于非線性的汽車鋼板彈簧斷裂問題分析. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2003,31(3) : 96- 98.</p><p>　　[2] 胡玉梅等.汽車后懸架的非線性有限元分析. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2003,26(4) : 38- 41.</p><p>　　[3] Integrated Durability Analysis Using

30、ANSYS, ADAMS, and FE-Fatigue. Terrance</p><p>　　W.Ewanochko．16</p><p><b>　　th</b></p><p>　　European Mechanical Dynamics User Conference．</p><p>　　[4] 張義民，賀向

31、東，聞邦椿.車輛用鋼板彈簧的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì).工程設(shè)計(jì)，</p><p><b>　　2002.1.</b></p><p>　　[5] 王其東，方錫邦，錢立軍，馬恒永，唐永琪.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的汽車鋼板彈</p><p>　　簧設(shè)計(jì)及分析研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001.12.</p><p>　　[6] 丁能根.馬建軍.鋼